调压井课程设计.doc

水电站课程设计计算书

水电站课程设计
计算书

目录
一、设计课题 3
二、设计资料及要求 3
1、设计资料见《课程设计指导书、任务书》 3
2、设计要求 3
三、调压井稳定断面的计算 3
1、引水道的水头损失计算 3
（1）局部水头损失计算 3
（2）沿程水头损失计算 4
2、引水道的等效断面面积计算 6
3、调压井稳定断面计算 7
四、调压井水位波动计算 8
1、最高涌波水位计算 8
1）、当丢弃负荷：30000~0kw时，采用数解法 8
2）、当丢弃负荷为45000~15000时，采用图解法： 9
2、最低涌波水位 10
1) 丢弃负荷度为30000——0KW时（数解法） 10
2）增加负荷度为30000----45000KW时（两种方法） 11
五．调节保证计算 13
1、检验正常工作情况下的水击压力 13
2、检验相对转速升高是否满足规范要求 16
六、参考文献 16
七、附图: 17
附图1:丢弃负荷时调压井水位波动图 17
附图2:增加负荷时调压井水位波动图 17
一、设计课题：水电站有压引水系统水力计算。
二、设计资料及要求
1、设计资料见《课程设计指导书、任务书》；
2、设计要求：
（1）对整个引水系统进行水头损失计算；
（2）进行调压井水力计算求稳定断面；
（3）确定调压井波动振幅，包括最高涌波水位和最低涌波水位；
（4）进行机组调节保证计算，检验正常工作状况下水击压力、转速相对值升高是否满足规范要求。
三、调压井稳定断面的计算
1、引水道的水头损失计算
（1）局部水头损失计算表
局部水头损失采用如下公式计算：

表1局部水头损失计算表
栏号

引水建筑物部位及运行工况
断面面积
（）
局部水头损失系数
局部水头损失
(m)
合计
（m）
1
进
水
口
拦污栅
61.28
0.12
1.63

0.307
2
进口喇叭段
29.76
0.10
5.76
3
闸门井
24.00
0.20
17.72
4
渐变段
23.88
0.05
4.47
5
隧
洞
进口平面转弯
23.76
0.07
6.33
0.203
6
末端锥管段
19.63
0.10
13.24
7
调
压
井
正常运行
19.63
0.10
13.24

2.204
8
增一台负荷，从调压井流入管道
19.63
1.50
198.61
9
压力引水管道
上水平段平面转弯
19.63
0.04
5.30

4.467
10
下水平段平面转弯
9.08
0.08
49.51
11
斜井顶部立面转弯
19.63
0.09
11.92
12
斜井底部立面转弯
9.08
0.09
55.69
13
锥管
9.08
0.08
49.51
14

三台机满发1叉管
19.63
0.30
39.72
15
三台机满发2叉管
19.63
0.45
59.58
16
一台机满发1叉管
19.63
0.27
35.75
17
一台机满发2叉管
19.63
0.27
35.75
18
蝴蝶阀
9.08
0.14
86.64

本表计算中Q=102m3/s，g=9.8m/s2
（2）沿程水头损失h程计算表
沿程水头损失采用如下公式计算：

表2 沿程水头损失计算表

栏号

引水道部位
过水断面面积W（）
湿
周
（m）
水力半径
R（m）
引水道长
（m）
h程
(m)
合计
（m）
1
进
水
口
喇叭口进水段
29.76
21.98
1.3540
6.0
4522.659
0.007
2
闸门井段
24.00
20.00
1.2000
5.6
7624.134
0.013
3
渐变段
23.88
18.64
1.2811
10.0
12603.390
0.022
4
隧
洞
D=5.5M段
23.76
17.28
1.3756
469.6
543724.6
0.815
5
锥形洞段
21.65
16.49
1.3125
5.0
7423.154
0.011
6

调压井
前管段
19.63
15.71
1.2500
10.98
21161.59
0.037
7

1号叉管
19.63
15.71
1.2500
35.74
68881.18
0.109
8
1-2号叉管
19.63
15.71
1.2500
29.21
56296.01
0.040
9
2号叉管
19.63
15.71
1.2500
12.23
23570.7
0.004
10
锥管段
13.85
13.19
1.0500
3.97
19392.71
0.003
11
D=3.4段
9.08
10.68
0.8500
21.25
320107.1
0.056
其中 栏1、2 、3、4、5、6、7的流量Q为102m3/s，根据压力管道相关参数表得7栏的流量为96.9,；8栏的流量为64.6,； 9、10、11栏流量为32.3
查规范和资料得到糙率n，进水口取0.013，隧洞取最小值0.012，压力管道取最大值0.013
调压井前引水道的水头损失
压力管道的水头损失（压力管道长度为113.3m,较长不计局部水头损失）

整个引水系统的水头损失

2、引水道的等效断面面积计算

其中L 为调压井前引水道的长度
L=拦污栅长度+喇叭口进口段长度+闸门井段长度+渐变段长度+（D=5.5M洞段长度）+锥形洞段长度+调压井前管段长度
=4.1+6.0+5.6+10.0+469.6+5.0+10.98
=511.28m

栏号
引水道部位
过水断面fi（m2）
Li(m)

(1)
拦污栅
61.28
4.1
0.067
(2)
喇叭口进水段
29.76
6.0
0.202
(3)
闸门井段
24.00
5.6
0.233
(4)
渐变段
23.88
10.0
0.419
(5)
D=5.5m
23.76
469.6
19.764
(6)
锥形洞段
21.65
5.0
0.231
(7)
调压井前管段
19.63
10.98
0.559
计算表

引水道的等效断面面积：
m2

3、调压井稳定断面计算
为使求得的稳定断面满足各种运行工况的要求，上游取死水位，下游取正常尾水位情况计算
净水头H0=上游死水位—下游正常尾水位=1082.0－1028.5=53.5m

：引水道水头损失，大小为1.415
hwT0：压力管道沿程水头损失，大小为0.212m
=53.5-1.415-3×0.212=51.449m
当三台机组满出力时，保证波动稳定所需的最小断面：=k
其中K的取值为1.0~1.1，为引水道总阻力系数
D=5.5m
==
取k=1.0则保证稳定所需要的最小断面为：

四、调压井水位波动计算
1、最高涌波水位计算
（1）当丢弃负荷：30000~0kw时，采用数解法
当上游为校核洪水位1097.35m，下游为相应的尾水位1041.32m，电站丢弃两台机时，若丢荷幅度为30000——0KW，则流量为63.6——0m3/s，用数解法计算。

L---------------------为引水道的长度为511.28m
f---------------------引水道等效断面面积
v0------------------------------------------引水道水流流速v0==m/s
F---------------------调压井稳定断面为156.46m2
-------------------引水道水头损失（=）
g---------------------取9.8m/s2
(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)×10-6×63.6×63.6=0.20m
=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) ×0.012×0.012×63.6×63.6×10-6=0.348m
==0.20+0.348=0.548m

查书本P150图10-4得，
则=0.10╳51.6+1097.35=1112.51m
（2）当丢弃负荷为45000~15000kw时，采用图解法：

当上游为校核洪水位1097.35m，下游为相应的尾水位1041.32m，电站丢弃两台机组时，若丢荷幅度为45000——15000KW，则流量为96.5——31.0m3/s。利用图解法求解
1、以横轴表示引水道流速v，以圆点向左为正（水流向调压室），向右为负；以纵轴表示水位z，以向上为正，向下为负，横轴相当于静水
2、作辅助线曲线
①引水道水头损失曲线：，

C===87.882
=0.232
②绘制曲线α

计算时段取值范围为,的取值范围为3.9—4.6选取=4s
=,当丢弃负荷为45000kw~15000kw时，流量96.5~31.0，
流速4.05~1.30m/s。
==0.20
=0.152×4-0.20×4=0.608-0.8
③绘制曲线

=0.077（）

采用matlab编程计算后画图，源代码如下：
v(1)=4.05-0.077*(0.608*4.05-0.8)
z(1)=-0.232*4.05*4.05+0.608*4.05-0.8
for i=1:29
dz(i)=0.608*v(i)-0.8
dv(i)=0.077*((-1)*z(i)-0.232*v(i)*v(i))
v(i+1)=v(i)+dv(i)
z(i+1)=z(i)+dz(i)
end
r(1,:)=z
r(2,:)=v
r=r'
其中，v(i)为流速矩阵，z（i）为水位壅高矩阵，dz（i）为水位壅高增量矩阵，dv（i）为流速矩阵增量矩阵,v(1)为第一时段末的水的流速,z(1)为第一时段末调压井内水位的壅高，第二个以后时段的水位及流速如下表所示。

V(m/s)
Z(m)
△V
△Z
3.8850
-2.1430
-0.1046
1.5621
3.7804
-0.5809
-0.2106
1.4985
3.5698
0.9176
-0.2983
1.3704
3.2715
2.2880
-0.3674
1.1891
2.9041
3.4771
-0.4184
0.9657
2.4857
4.4428
-0.4525
0.7113
2.0333
5.1541
-0.4707
0.4362
1.5625
5.5903
-0.4741
0.1500
1.0885
5.7404

由表可知，最大壅高水位在5.59m~5.74m之间，线性内插得最大壅高水位为5.67（图纸见附图1）。
Zmax=1097.35+5.67=1103.02m
2、最低涌波水位：
（1）丢弃负荷度为30000——0KW时（数解法）
当上游为死水位，下游为正常尾水位时，若电站丢弃全负荷时（30000~0，流量变化为67.5—0），因调压室水位达到最高水位时，水位开始下降，此时隧洞中的水流朝着水库方向流动，水从调压室流向进水口，因此水头损失应变为负值，水位到达最低值称为第二振幅。
，=2.835m/s
(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)×10-6×67.5×67.5=0.220m
=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) ×0.012×0.012×67.5×67.5×10-6=0.391m
==0.220+0.391=0.611m

=0.012
查书本P150图10-4得=0.08，则=0.08×(-52.21)=-4.177m
Zmin=1082-4.177=1077.823m
（2）增加负荷度为30000----45000KW时（两种方法）
当上游为死水位，下游为正常尾水位，增荷幅度为30000~45000KW，流量变化由68.5~102.5，流速2.88～4.3 m/s。
A、 数解法

m=68.5/102.5=0.668
(1.63+5.76+17.72+4.47+6.33+13.24)×10-6×102.5×102.5=0.516m
=(4522.659+7624.134+12603.390+543724.6+7423.154+21161.59) ×0.012×0.012×102.5×102.5×10-6=0.902m
==0.516+0.902=1.418m

=)
=3.435

调压井的最低水位为 1082-4.871=1077.129m
B、 图解法
增加负荷时的图解法与丢弃负荷的图解法类似，同样选择坐标系，绘出
①、引水道水头损失曲线：，

C===87.882
=0.232
②、绘出曲线；

则计算时段取值范围为取，的取值范围为3.9—4.6选取=4s
又=,当增加负荷为30000~45000kw时，流量68.5～102.5m3/s。
==0.655
=0.152×4-0.655×4=0.608-2.62
③、绘制曲线

=0.077（）
Matlab编写程序：
v(1)=2.88
z(1)=-0.232*2.88*2.88
for i=1:29
dz(i)=0.608*v(i)-2.62
dv(i)=0.077*((-1)*z(i)-0.232*v(i)*v(i))
v(i+1)=v(i)+dv(i)
z(i+1)=z(i)+dz(i)
end
v=v'
z=z'
r(:,1)=v
r(:,2)=z
计算结果如下表
V(m/s)
Z(m)
△V
△Z
2.946
-2.793
0.0599
-0.8283
3.0069
-3.6215
0.1173
0.7918
3.1242
-4.4134
0.1655
-0.7205
3.2897
-5.1339
0.2020
-0.6199
3.4917
-5.7537
0.2252
-0.4971
3.7169
-6.2508
0.2345
-0.3601
3.9514
-6.6109
0.2301
-0.2175
4.1815
-6.8285
0.2134
-0.0776
4.3950
-6.9061

最大下降水位在-6.83m～-6.90m之间,采用线性内插法,得到最大下降水位为6.87m。Zmax=1082-6.87=1075.13m。
五．调节保证计算
1、检验正常工作情况下的水击压力
相应的正常工作情况下的正常蓄水位为1092.0米，相应的尾水位为1028.5米，则：，
由所给资料可知：正常工作情况下的正常蓄水位为1092.0米，相应的尾水位为1028.5米，三台机满发电，通过水轮机的流量为96.9，于是：
起始的流速96.9/23.808=4.07m,
水锤波速：
上式中为水的体积弹性模量，一般为2.1×；为水的容重，取9.81KN/m3，r为管道的半径,,压力管道半径为2.5m.蜗壳半径为1.22m.尾水管半径为1.7m，K为管道抗力系数。1.4×

压力管道=102.32米，蜗壳=20.4米，尾水管=16.2米；
，，
V1=；V2 =；V3= ；V5 =

=977.073m/s

Vm=
管道特性系数为
当机组满负荷运行时，，，因为阀门从全开到全关的时间为7s，其中有效关闭时间为,一个相长＜4.68s,为间接水锤。管道的特性系数：

由以上计算并查图9-4水锤类型判别图可知：该水锤为极限正水锤，由式9-15可得：

校核尾水管进口处的真空度
尾水管进水口处的水锤压力：
；
尾水管在进口断面出现时的流速水头如下：

尾水管进口处的真空度在8~9米之内，满足要求。
2、检验相对转速升高是否满足规范要求
该水电站的保证出力为1.07×104kw，水轮机型为HL211-LJ-225，对于混流式水轮机，，，f 为水锤影响系数，根据管道特性曲线系数由图9-15得出f=1.12

根据书102页转速变化率计算标准：当机组容量占电力系统总容量的比重较大，且担负调频任务时， βmax宜小于45％；
当机组容量占电力系统总容量的比重不大或担负基荷时，βmax宜小于55％；对斗叶式水轮机，βmax宜小于30％,所以，满足要求。
六、参考文献
《水电站建筑物》第二版 马善定，汪如泽
《水工设计手册（水电站建筑物）》 华东水利学院
《水电站建筑物》课程设计任务指导书 青海大学水利电力学院
《水电站调压室设计规范》DL/T5058-1996
《工程制图及CAD》

七、附图:
附图1:丢弃负荷时调压井水位波动图
附图2:增加负荷时调压井水位波动图

18